og som i mange tilfælde tilmed er en forsinkende faktor for færdiggørelsen af det samlede projekt. Ved introduktion af Stilladshåndbogen

Transkript

1 broer og tunneler Udvidelse af eksisterende broer ved brug af præfabrikerede elementer Der er tidsmæssige og følgeøkonomiske besparelser ved anvendelse af præfabrikeret elementbyggeri ved infrastrukturprojekter over eksisterende vej og bane i drift. I det følgende beskrives to eksempler på anvendelse af præfabrikerede betonelementer til udvidelse af eksisterende brokonstruktioner i forbindelse med udvidelsen af Holbækmotorvejen - M11, Fløng - Roskilde Vest. Af Michael Birk Jensen, mcj@cowi.dk Figur 1. M11 - Bro UF af Vestbanen (Øst) og Bro UF af Vestbanen (Vest). Steffen von Holstein, sho@cowi.dk Jens Thorup Laursen, jtl@cowi.dk Indledning Ved store infrastrukturprojekter, der berører eksisterende veje og baner i drift, som f.eks. i forbindelse med udvidelsen af M3 og M12 ved København, har det traditionelle valg af brokonstruktion været en in-situ støbt betonløsning, der fra en hævet position over underført færdselsåre efterfølgende er nedsænket. Både projektering og opstilling af et sådant arrangement samt selve nedsænkningen udgør et omfattende og tidskrævende arbejde, som i byggeperioden berører trafikken, og som i mange tilfælde tilmed er en forsinkende faktor for færdiggørelsen af det samlede projekt. Ved introduktion af Stilladshåndbogen og de øgede krav til dokumentation af stillads er denne løsningsmetode således blevet endnu mere omfattende. Det er derfor i den senere tid konstateret (betydelige) tidsmæssige og økonomiske fordele ved at anvende forskellige former for præfabrikerede løsninger, og to konkrete eksempler fra udvidelsen af M1 gennemgås i det følgende. M11 Projektet Udvidelse af M11 (Fløng - Roskilde Vest) 11 km motorvej Udvidelse fra 4 til 6 kørebaner samt udbygning fra 4 til 8 kørebaner 18 broer - heraf 3 broer i forbindelse med bane 900 m støttevægge 5,9 km nye støjskærme; 2 km eksisterende træstøjskærme bevares. Organisation Vejdirektoratet som Bygherre Teknisk Rådgiver for VD v/ Rambøll Æstetisk rådgivning v/ Claus Bjarrum Arkitekter Rådgivning for JVA v/ Grontmij Carl Bro Rådgivning for Trafikledning v/ ÅF Hansen & Henneberg Rådgivning for Konstruktioner (broer, støttemure og støjskærme) v/ Cowi. I det følgende gives en kort beskrivelse af de to banebroer, der er vist på figur 1. Begge broer fører Vestbanen under M11. Minimum driftsforstyrrelse Udvidelse af en eksisterende vej vil uundgåelig medføre en forstyrrelse af trafikken på selve den udvidede vej og af trafikken på den krydsende færdselsåre. Med det relativt store antal skæringer på denne strækning er den akkumulerede forstyrrelse potentielt omfattende, og det har således været et fokusområde at minimere gener for trafikafviklingen i forbindelse med hver enkelt konstruktion, og som det vil fremgå, er der gjort tiltag for at sikre en tidslig udførelsesrobusthed. Særligt for denne strækning er, at M11 krydser den relativt trafikerede Vestbane to steder, og et tæt samarbejde med Banedanmark har været af stor betydning for at kunne minimere de trods alt nødven- 12 TRAFIK & VEJE 2011 FEBRUAR

2 dige sporspærringer og dermed minimere forstyrrelsen af banetrafikken og samtidig opretholdelse af vejtrafikken på M11. Bro 65.00, UF af Vestbanen (Øst) Den eksisterende Bro er en 2-fags betonbro, der oprindeligt er udført ved brug af præfabrikerede OT-bjælker (med udstøbt overbeton), der spænder vinkelret på den underførte Vestbane. Herved er der etableret de såkaldte og velkendte døde trekanter se figur 2. Figur 2. Bro Udvidelse med en kørebane til begge sider samt udfyldning af trekanter. De 4 nye udfyldninger er markeret med blåt. Figur 3. Bro Opstøbning af eksisterende endevederlag. Figur 4. Bro Udfyldte søjlemellemrum, opstøbte endevederlag og oplagte betonelementer. Understøtninger For at kunne etablere et udvidet endevederlag til de præfabrikerede elementer, er de eksisterende ende- og mellemvederlag udnyttet. Dette er gjort ved, at de eksisterende endevederlag er blevet opstøbt. Mellemunderstøtningen, der udgøres af betonsøjler (med søjleåg), er blevet forsynet med udstøbninger mellem søjlerne for således at skabe en robust konstruktion. For illustration af endevederlagenes opstøbning og udstøbning mellem eksisterende søjler se figur 3 og figur 4. På figur 4 ses endvidere den opsatte afskærmning mod banen, der er elektrificeret, hvilket medfører ufravigelige afstandskrav til arbejderne og desuden krav til jording af alt materiel nær banen. Udførelsesmæssig robusthed For at få plads til de 4 nye præfabrikerede betonelementer skulle de to yderste OTbjælker i hvert hjørne fjernes. For at sikre en robust tidsplan inden for det minimale antal sporspærringer, blev det under projekteringen besluttet at inkludere 2 stk. reserve OT-bjælker som en del af udbuddet, således at disse var til rådighed, hvis der skulle vise sig at opstå et behov for udskiftning af flere OT-bjælker. Det viste sig sidenhen at være unødvendigt, idet både overbeton og eksisterende OT-bjælker i tilstrækkelig tid før udførelsen blev konstateret som værende i sund tilstand, og reserve OT-bjælkerne kom således Geometri Hvert betonelement er unikt, dvs. der er ikke to identiske elementer, og alle er geoaldrig til udførelse. I tilgift blev entreprenørens arbejde udført med præcision og uden beskadigelse af tilstødende OT-bjælker. Præfabrikeret betonelement De præfabrikerede betonelementer (4 stk.) består hver af en efterspændt hovedbjælke og en slapt armeret pladedel. Den spændte bjælke blev opspændt før sammenkoblingen med pladedelen for at undgå tøjnings- differencer mellem de to dele i forbindelse med opspændingen og således også revnedannelse. Det præfabrikerede element er illustreret på figur 5. Vægten af de præfabrikerede betonelementer er ca. 50 ton pr. styk. TRAFIK & VEJE 2011 FEBRUAR 13

3 metrisk komplicerede. Dette skyldes, at M11 på det pågældende sted ligger på en stigende hhv. faldende del af en cylinderflade, samtidig med at vejen skæres af banen under en skæv vinkel. Desuden kompliceres geometrien af, at den skæve skæring etableres ved hjælp af den vinkelrette placering af understøtningerne jf. de tidligere beskrevne døde trekanter. Endeligt omfatter udvidelsen vej, nødspor og kontrabanket, der hver især etableres med en tværhældning på 25, 40 og 160, hvilket opbygges i betonen, således at belægningen kan føres med konstant tykkelse. Figur 5. Bro Præfabrikeret betonelement. Figur 6. Bro Indløft af præfabrikeret betonelement. Figur 7. Bro Indplacering af præfabrikeret betonelement. Omisolering Da broen endvidere skulle undergå en omisolering og forsynes med supplerende overbeton for bl.a. at opgradere til det nye vejprofil, blev dette udnyttet til at sammenstøbe udvidelsen med det eksisterende dæk. Beregninger Beregningerne for det præfabrikerede betonelement er gennemført vha. Cowi s eget FE-program IBDAS (Integrated Bridge Design and Analysis System), og omfattede sædvanlige brud- og service analyser inkl. den tidslige effekt af et spændt element sammenstøbt med et slapt armeret element og under hensyntagen til svind, krybning og relaksation. Endvidere blev der foretaget en beregning af elementet i forbindelse med indløftet, idet der i udbudsmaterialet blev foreskrevet mulige løftepunkter. Det noteres, at det præfabrikerede betonelement er kraftigt armeret dels grundet geometriske bindinger, dels grundet ønsket om minimal vægt. Indløft og indplacering Med ambitionen om at indløfte et tungt element opstod der bl.a. den udfordring at bringe vægten så langt ned, at der kunne anvendes netop den mobilkran, der geometrisk og belastningsmæssigt kunne placeres på den eksisterende bro. Det bør noteres, at den eksisterende bro bl.a. virker ved hjælp af kombination af den skæve skæring og ret oplægning af OTbjælker, idet trafikkens belastning således aktiverer adskillige OT-bjælker. Dette blev udnyttet i forbindelse med indløftet, hvor madrasserne til mobilkranens støtteben blev placeres under en vinkel, der aktiverede det nødvendige antal eksisterende OT-bjælker. Den trange plads fordrede endvidere, at visse af de udragende stødjern på det præfabrikerede betonelement måtte kappes for at etablere en udskæring til madrassen. Stødjernene blev senere koblet for at genetablere 14 TRAFIK & VEJE 2011 FEBRUAR

4 stødlængden ind til det eksisterende og tidligere nævnte omisolerede brodæk Indløftet blev foretaget under en natlig sporspærring (per indløft) og er eksemplificeret på figur 6 og figur 7, hvoraf det ses, at afskærmning mod bane var monteret under indløft for at spare tid i forbindelse med det afsluttende arbejde under sporspærringen. Bemærk endvidere på figur 7 de afkortede stødjern til indpasning af madrassen, hvor mobilkranens støtteben blev placeret. Alle 4 præfabrikerede betonelementer blev placeret i løbet af 1 uge og inden for en tolerance på ±30 mm i plan og kote. Stillads vs. indløft Anvendelsen af præfabrikation blev tidligt introduceret i forbindelse med VVM-undersøgelsen, og senere under projekteringen viderebearbejdet i samarbejde med VD og dennes tekniske rådgiver. En stilladsopbygning blev anset for både kompliceret og omkostelig pga. banen med kørestrømsanlæg, der enten ville kræve en form for omlægning af kørestrøm eller medføre en stilladsopbygning med efterfølgende sænkning. Præfabrikation og indløft kunne desuden skaffe tid ved at eliminere de tidsmæssige bindinger til stilladsgodkendelse. Figur 8. Bro Eksisterende bro. Figur 10. Bro OT-bjælke. Figur 9. Bro Udvidelse med præfabrikerede søjler og søjleåg. Spor- og vejspærringer Til etablering af den udvidede overbygning alene blev anvendt blot 4 natspærringer af banen, og det beskedne antal sporspærringer vurderes nær optimalt. M11 var midlertidigt (ca. 4 timer) indsnævret til 1 kørebane i forbindelse med hvert indløft. Udførende CG Jensen med assistance af Krangården HeavyLift til indløft. Brotilsyn Cowi Udførelsesperiode Nov Nov Bro 78.00, UF af Vestbanen (Vest) Den eksisterende Bro er en 4-fags betonbro, der er udført som en pladebro, der understøttes på søjler. Vestbanens fire ( ) elektrificerede spor føres igennem broen med de 3 vestlige spor liggende højt, og med det østligste spor lavtliggende i forhold til de resterende tre spor. Vestbanen er som tidligere nævnt stærkt trafikeret, og særligt banetrafikken til Fyn/ Jylland prioriteres højt. Den eksisterende bro er gengivet i figur 8. Minimum driftsforstyrrelse For at minimere forstyrrelsen af bane i drift blev det tilstræbt at etablere så mange som muligt af de indgående betondele som præfabrikerede betonelementer, der kan støbes uafhængigt af banen og indplaceres under sporspærring og i visse tilfælde blot bag en passende afskærmning. Præfabrikerede elementer I lighed med den tidligere beskrevne Bro blev anvendelse af præfabrikation udarbejdet under drøftelse med VD og dennes tekniske rådgiver. Således indgår følgende komponenter som præfabrikerede betonelementer: Ca. 21 m lange OT-bjælker Søjler med søjlesko til fastgørelse i in-situ støbt fundament Søjleåg med udsparinger til sammenkobling med søjler. Broudvidelse Udvidelsen af broen sker ved forlængelse af de eksisterende understøtningslinjer dog med en svag vinkling af udvidelsen mod SØ for at opretholde det nødvendige fritrumsprofil, idet banesporet føres i en kurve. TRAFIK & VEJE 2011 FEBRUAR 15

5 Søjlefundamenter De eksisterende søjlefundamenter er forlænget under anvendelse af interimsafstivninger mellem sporene, hvilket er sket under sporspærringer. Herefter udstøbes mellem afstivningerne, der således anvendes som offerform. Interimsafstivningerne er skåret ned efterfølgende. Anvendelse af søjlesko I de nye søjlefundamenter er med skabelon placeret gevindstænger, der matches af såkaldte søjlesko i søjlerne. Herved har søjlerne under en relativ beskeden forstyrrelse af banedriften kunnet løftes ind og monteres, hvorefter søjlerne har kunnet stå udkraget; der blev dog etableret interimsafstivninger indtil en stabilisering var mulig vha. af de oplagte OT-bjælker, idet fundamenterne ikke er beregnet til at optage momenter men blot fordeler det lodrette tryk fra søjlerne ned i jorden. Søjleåg Et præfabrikeret søjleåg placeres på søjlerne, og søjleåget er forsynet med udsparinger, således at opragende stødjern fra søjlerne kan sammenstøbes med søjleåget. Herved opnås en monolitisk konstruktion i lighed med det eksisterende princip. De præfabrikerede søjler med oplagte søjleåg ses på figur 9, hvor der også ses en etableret skærm. Endevederlag I lighed med forlængelse af søjlerækkerne er alle endevederlag også blevet forlænget, men ved brug af jernbeton i modsætning til det eksisterende endevederlag, der består af massivt uarmeret beton. armering til sikring af en passende stivhed og samvirke i tværretningen. Oplagte elementer på søjleåg ses på figur 11. Beregninger Beregningerne for Bro er ligeledes gennemført vha. det tidligere nævnte program IBDAS, hvormed der er modelleret 2 faser. Fase 1 beskriver de oplagte OT-bjælker, og Fase 2 beskriver OT-bjælkerne med udstøbt overbeton som en plade og under hensyntagen til svind, krybning og relaksation. Endevederlag inkl. overbygningens nedspænding heri samt søjler og fundamenter er en integreret del af IBDAS-modellen. Reducering af form- og stilladsarbejde Ved anvendelse af præfabrikerede elementer er det således lykkedes at reducere stilladsarbejdet betragteligt, idet de oplagte OT-bjælker udgør formen ved udstøbning af dækket. Ikke mindst i forhold til underbygningen er det lykkedes at eliminere en stor mængde af formarbejde og in-situ støbninger, hvilket, udover at ville have afstedkommet en række sporspærringer, også ville have skullet udføres som natarbejde og under trange arbejdsforhold, idet samtidig spærring af alle spor ikke ville have været muligt. Spor- og vejspærringer I forbindelse med indløft og sammenstøbning af søjler og søjleåg er anvendt blot 9 stk. natspærringer. Til indløft af de præfabrikerede OT-elementer er anvendt blot 4 stk. 16-timers sporspærringer, og i løbet af hvilke den tværgående armering er blevet indlagt. Netop placering af den tværgående armering har været tidskrævende, da armeringen har skullet føres igennem op til 26 stk. OT-elementer med udsparingerne i præcis flugt, hvilket er lykkedes dels pga. omhyggelig præfabrikation, dels pga. omhyggelig indplacering. M11 var midlertidigt indsnævret til 1 kørebane under indløft af OT-bjælker. Udførende E. Pihl & Søn A.S. Præfabrikation ved Tinglev Elementfabrik / Contiga Tinglev A/S. Brotilsyn Cowi Udførelsesperiode Apr Dec < OT-Bjælker For at etablere broens udvidelse indløftes i alt 79 præfabrikerede OT-bjælker, der alle besidder en længde på ca. 21 m bortset fra en enkelt kortere på ca. 9,5 m; derfor det ulige antal. Spændene mellem understøtningslinjerne er ca. 9,5 m hhv. 11,5 m, hvorfor bjælkelængden bliver i alt ca. 21 m, idet hver bjælke spænder over to fag. Dette skyldes, udover særlige statiske forhold, ønsket om at minimere antallet af indløft, der således halveres i forhold til anvendelse af simpelt understøttede bjælkestykker. Den korte bjælke skyldes en variabel kørebanebredde i brodækkets nordvestlige hjørne, hvor der oplægges et enkelt kort element. Tværsnittet for OT-bjælkerne er gengivet på figur 10, hvor også ses de udsparinger, hvorigennem der føres tværfordelende Figur 11. Bro Oplagte OT-bjælker på præfabrikerede søjleåg. 16 TRAFIK & VEJE 2011 FEBRUAR